Comparative analysis of chloroplast genomes reveals molecular evolution and phylogenetic relationships within the Papilionoideae of Fabaceae：解开豆科蝶形花亚科叶绿体基因组奥秘，洞悉分子进化与亲缘关系

为解决豆科蝶形花亚科（Papilionoideae）分子进化和系统发育关系不明的问题，研究人员对 18 种蝶形花亚科植物的叶绿体基因组（cpDNA）进行测序、组装和注释。结果揭示了 cpDNA 结构差异等，构建的系统发育树明确了进化关系，为后续研究提供基础。

　　在植物的奇妙世界里，豆科蝶形花亚科（Papilionoideae）可是个 “大家族”，它包含 28 个族、478 个属和约 13,800 种植物。这个亚科的植物分布广泛，在中国各地都能找到它们的身影，而且有着重要的经济、生态和药用价值。比如黄芪（Astragalus membranaceus）和甘草（Glycyrrhiza uralensis），在传统中医药领域发挥着关键作用；还有豆类植物，不仅是重要的蛋白质来源，其根瘤还能固氮，作为绿肥和饲料作物也十分出色。

然而，这个 “大家族” 的内部关系却有些复杂。虽然之前对蝶形花亚科植物叶绿体基因组（cpDNA）的多样性和进化机制有了一定研究，但仍有大量物种的进化关系没有明确。这就好比在一幅巨大的家族画卷中，很多成员之间的线条是模糊的，我们不知道它们到底有着怎样的 “血缘” 联系。而叶绿体作为植物进行光合作用的关键细胞器，其基因组有着独特的遗传信息和相对保守的结构，对研究植物的进化意义重大。特别是蝶形花亚科的 cpDNA，存在着诸如基因插入、缺失、重排等结构变化，尤其是倒位重复缺失分支（IRLC）的出现，更是让其基因组变得复杂多样。所以，深入研究蝶形花亚科的 cpDNA，就像是为这幅模糊的家族画卷重新勾勒清晰的线条，对解开其遗传结构、系统发育关系和进化机制至关重要。

为了回答这些问题，江西中医药大学的研究人员开展了一项重要研究。他们从中国西藏和四川采集了 18 种豆科植物样本，通过一系列实验操作，对这些植物的 cpDNA 进行了测序、组装和注释，并与 GenBank 中已有的 67 种蝶形花亚科植物的 cpDNA 进行比较分析。最终，他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。首先是高通量测序技术，利用 Illumina NovaSeq 6000 平台对样本进行测序，获得大量数据；然后通过生物信息学方法，如用 Trimmomatic 处理原始测序数据，用 Bowtie 2 排除核和线粒体 DNA 污染，用 GetOrganelle 进行序列组装，用 CpGAVAS2 进行自动注释等；还使用了多种软件对重复序列、密码子偏好性、选择压力等进行分析，以及构建系统发育树来研究物种间的进化关系。

下面来看看具体的研究结果：

• 蝶形花亚科 18 种 cpDNA 的结构和特征：18 种植物 cpDNA 大小在 121,190bp 到 158,534bp 之间，部分物种有典型的四分体结构，包含大的单拷贝（LSC）区域、小的单拷贝（SSC）区域和两个倒位重复（IR）区域；而 13 种属于 IRLC 的物种则缺失了 IR 序列。cpDNA 的总 GC 含量在 34.0% - 36.6% 之间，不同区域 GC 含量有差异。基因数量和类型也存在变化，部分基因在某些物种中缺失或重复。
• 重复序列分析：在 18 个 cpDNA 样本中鉴定出 1,950 个简单序列重复（SSR）位点，单核苷酸重复最多。SSR 在不同基因组区域分布不均，主要集中在 LSC 区域，且多为 A/T 重复。还发现了 2,441 个长末端重复（LTR）序列，其类型、数量和长度都有显著差异。
• 密码子偏好性和基因选择压力分析：18 个物种的密码子使用存在差异，大多数物种中某些密码子的使用频率较高，且密码子的 RSCU 值与碱基组成有关。对 78 个蛋白质编码基因的选择压力分析表明，这些基因受到纯化选择，进化上较为保守。
• 比较基因组学分析：以长柄山蚂蝗（Desmodium elegans）为参考基因组，在 17 个物种中鉴定出大量单核苷酸变异（SNPs）和插入缺失（InDels）。不同物种的 IR/SC 边界区域存在一定的保守性，但也有扩张和收缩的变化。部分物种的基因组存在重排和倒位现象。
• 核苷酸多样性分析：计算得出 18 个物种的核苷酸多样性（Pi）值，发现较高的遗传变异主要存在于 SC 区域，还鉴定出 6 个突变热点区域。
• 系统发育分析：构建的最大似然（ML）系统发育树显示，拓扑结构与蝶形花亚科的分类基本一致，形成了 7 个主要分支，明确了 18 个新测序物种在进化分支中的位置，揭示了不同属、族之间的亲缘关系。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次对 18 种蝶形花亚科植物的 cpDNA 进行了全面比较分析。研究结果揭示了这些物种 cpDNA 在结构、基因含量和序列上的显著差异，为开发 DNA 分子标记提供了重要依据。分析还发现所有物种在 cpDNA 进化过程中都经历了负选择，具有典型四分体结构的物种在 IR 边界有明显的扩张和收缩。共线性分析证实了豆科植物 cpDNA 经历了广泛的重排和倒位，产生了结构差异。此外，鉴定出的 6 个差异热点区域可作为潜在的 DNA 条形码用于物种鉴定。系统发育分析明确了 18 个物种的分类地位和进化关系。这些发现为豆科植物的适应性进化和系统发育关系研究提供了关键见解，为豆科植物的物种鉴定、进化适应研究和系统发育研究奠定了重要基础，让我们对蝶形花亚科植物的 “家族秘密” 有了更深入的了解，也为后续的相关研究开辟了新的道路。